JP5750911B2

JP5750911B2 - 磁気コア

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Publication number: JP5750911B2
Application number: JP2011014997A
Authority: JP
Inventors: 三野　和明; 和明三野
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: JP2012156351A

Description

本発明は、インダクタやトランス等の巻線を有した電気機器に用いられる磁気コアに関するものである。

コアに導線を巻き回してインダクタンス値を得る、いわゆるインダクタや、２個以上の巻線がコアを介して磁気結合したトランスなどの磁気部品では、鉄損や銅損などによって生じる損失により、磁気部品が高温に発熱するという問題がある。

このような磁気部品の高温発熱を抑制するための従来の冷却技術として、例えば、図１１および図１２の構成が開示されている。
先ず、図１１を説明する。図１１は従来の第１の磁気部品を示す平面図である。１は磁気コア、２は中脚部、３は外脚部、４は巻線、７は冷却風である。

磁気コア１は、中脚部２および外脚部３から構成されている。中脚部２に巻線４が巻き回されて磁気部品が構成されている。
ここで、磁気部品で高温発熱が発生する概要について説明する。

磁気部品は、磁気コア１で生じる鉄損と巻線４で生じる銅損によって発熱する。磁気部品が高温になると、巻線４を覆っている絶縁材が溶ける。これにより、巻線４同士や巻線４と磁気コア１が短絡する。

一方、磁性材料には温度依存性があり、高温時には磁気コア１の材料特性が変化し、トランスやインダクタなどの基本機能が失われてしまう。そして、磁気部品自体やそれに接続されている他の部品、その部品が使用されている装置に接続されている他の機器が破損するなどの悪影響が生じてしまう。

従って、磁気部品は、上記のような高温発熱を抑制するべく、使用する材料の耐熱以下で動作させなければならない。
そこで、図１１では、磁気コア１から露出した巻線４のうち片側の部分が、冷却風７の風向きに対向するように配置されている。これにより、冷却風７が直接、露出した片側の巻線４に当たり、磁気部品を空冷することができる。

次に、図１２に係る従来の構成を説明する。図１２は従来の第２の磁気部品を示す平面図である。
図１２では、磁気部品の構成は図１１と同じである。図１１と異なる点は、冷却手段として、磁気コア１から露出した巻線４の両側の部分が、冷却風７の風向きと平行になるように配置されている。これにより、冷却風７が直接、露出した両側の巻線４に当たり、磁気部品を空冷することができる。

また、特許文献１には、磁気コアの外面に凸凹部を形成することにより、磁気コア自体の熱放散性を向上させる構成が開示されている。
そのほか、特許文献２や３には、集熱板やヒートシンクやヒートパイプなどの冷却部品を用いて磁気部品の温度を低減させる技術が開示されている。

ＷＯ２００９／０５１０５７号公報特開昭６２−１９４６０２号公報特表２００８−５１０２９７号公報

しかし、従来の磁気コアの冷却構造には、以下のような課題があった。
図１１の構成の場合には、冷却風７が磁気コア１の露出した片側の巻線４のみに強く当たる。一方、露出した巻線４の反対側の部分に当たる風量が減るので、反対側に露出した巻線４への空冷効果が少なく、この部分の温度が上昇してしまう。

さらに、そもそも巻線４の露出していない隠れている部分（磁気コア１に覆われている部分）には冷却風６が直接当たらないので、その部分の巻線４の温度が局所的に上昇してしまう。

図１２の構成の場合には、磁気コア１の露出した両側の巻線４に冷却風７が強く当たるので、これらの部分の空冷効果は高まる。
ただ、やはり図１１の構成と同様、巻線４の露出していない隠れている部分には冷却風７が直接当たらないので、同様に温度が局所的に上昇してしまう。

つまり、従来の冷却構成では、磁気部品の一部分における冷却効果を高めることはできるが、磁気部品全体において高い冷却効果を得ることはできず、局所的に高温となる部分が生じてしまう。

一方、特許文献２、３のように集熱板やヒートシンク、ヒートパイプなどの冷却部品を用いる場合には、コスト増と大形化の要因となってしまう。
また、これらの冷却部品には、通常、熱伝導率の高い金属を用いる必要がある。

ところが、これらの金属を磁気部品の内部に使用すると、磁気部品の内部の磁束が金属を鎖交することによって渦電流が発生し、損失が増加してしまう。
そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するべく、磁気部品を効果的に空冷できる構成を実現することである。

前記の目的を達成するために、本発明によれば、巻線が巻き回される柱状の中脚部と、該中脚部を挟んで前記巻線の外側に一対をなして配置され、前記中脚部と相互に一体として連結されている外脚部とを有し、前記巻線の外周面と前記外脚部との間に前記巻線の周方向に沿うように設けられた空隙部に冷却風を流して強制空冷する磁気コアにおいて、前記外脚部の少なくとも１つには、前記巻線の外周面と対向する面に冷却風を通すための貫通孔が設けられ、該貫通孔が設けられた面には、前記巻線の周方向に沿うように空隙部が設けられ、前記空隙部は前記貫通孔と通じていることを特徴とする磁気コアとする。

また、本発明によれば、上記の構成において、前記貫通孔が、細隙形状であることを特徴とする磁気コアとする。
また、本発明によれば、上記の構成において、前記細隙形状が、前記中脚部の中心軸線と略平行方向に延びていることを特徴とする磁気コアとする。

本発明により、磁気部品を効果的に空冷することができる。

本発明の第１の実施例の磁気部品を示す平面図である。本発明の第１の実施例の磁気部品を示す側面図である。本発明の第１の実施例の磁気部品の部分拡大断面図である。本発明の第２の実施例の磁気部品の平面図である。本発明の第２の実施例の磁気部品の風上側の部分拡大断面図である。本発明の第２の実施例の磁気部品の風上側の部分拡大断面図である。本発明の第３の実施例の磁気部品を示す平面図である。本発明の第３の実施例の磁気部品を示す側面図である。本発明の第４の実施例の磁気部品を示す平面図である。本発明の第５の実施例の磁気部品を示す平面図である。従来の第１の磁気部品を示す平面図である。従来の第２の磁気部品を示す平面図である。

実施の形態を以下の実施例で説明する。以下の説明で従来の構造と同一部位には同一の符号を付した。

図１ないし３により、第１の実施例を説明する。
図１は、本発明の第１の実施例の磁気部品を示す平面図であり、図２はその側面図であり、図３はその部分拡大断面図である。１は磁気コア、２は中脚部、３は外脚部、４は巻線、５は貫通孔、６は隙間部、７は冷却風である。

第１の実施例の構成を説明する。
図１のとおり、磁気コア１は、中脚部２および外脚部３から構成されている。外脚部３は、磁気コア１の中央の柱状の中脚部２を挟んで一対となって配置され、中脚部２と相互に連結されている。中脚部２には巻線４が巻き回されている。

外脚部３には、貫通孔５が形成されている。また、外脚部３には、巻線４の外周面に沿うように隙間部６が形成されている。隙間部６は貫通孔５に通じている。
配置については、磁気部品（磁気コア１および巻線４）が、貫通孔５と中脚部２とを結んだ線が、冷却風７の風向きに対して略垂直となるように配置されている。

次に、図２により、貫通孔５の構成をさらに説明する。
図２のとおり、外脚部３に形成された貫通孔５は、スリット形状（細隙形状）であり、その高さは巻線４の高さと同程度となっている。

さらに、図３により、貫通孔５および隙間部６の構成を説明する。
図３のとおり、外脚部３には、貫通孔５とそれに通じる隙間部６が形成されている。隙間部６は巻線４の外周面に沿って形成されている。つまり、外脚部３と巻線４の外周面との間の空間には、全面にわたって隙間部６が形成されている。

なお、一対の外脚部３のそれぞれの構成は同じであり、図３のとおりである。
第１の実施例の構成の説明は以上である。
第１の実施例の動作を説明する。

図１では、磁気部品は、上述したとおり、貫通孔５と中脚部２とを結んだ線が、冷却風７の風向きに対して略垂直となるように配置されている。そのため、巻線４の風上側に露出している部分は、冷却風７により冷却される。

そして、図３のとおり、冷却風７は強い風量を保持したまま隙間部６に入る。隙間部６に入った冷却風７は、そのまま隙間部６を通り抜ける経路と、外脚部３に設けた貫通孔５を通る経路とに分流して通り抜ける。

なお、一対の外脚部３におけるそれぞれの動作は同じであり、図３のとおりである。
第１の実施例の動作の説明は以上である。
かくして、本発明の第１の実施例によれば、冷却風７は、巻線４の露出している部分を空冷できるだけでなく、貫通孔５および隙間部６を通り抜けることで、巻線４の外脚部３に覆われた部分も空冷することができ、巻線巻線４の全体を空冷することができる。

また、冷却風７が、貫通孔５および隙間部６を通り抜ける際に、磁気コア１を空冷することもできる。
なお、磁気コア１に例えばＰＱコアを用いた場合、外脚部３の中央付近では磁束方向に対して断面積が小さくなる。そのため、図２のように貫通孔５を形成しても、磁気コア１全体の実効断面積が大きく損なわれることはない。

従って、外脚部３に貫通孔５を設けることで、磁束密度が大きく増加することなく（すなわち磁気部品の特性に大きな影響を与えることなく）、磁気部品の冷却効果を高めることができる。

次に、図４ないし６により、第２の実施例を説明する。
図４は、本発明の第２の実施例の磁気部品の平面図であり、図５は磁気部品の風上側の部分拡大断面図であり、図６は磁気部品の風下側の部分拡大断面図である。

第２の実施例の構成を説明する。
第２の実施例の構成は、磁気部品の構成は実施例１と同じであるが、冷却風７の風向きに対する磁気部品の配置が異なっている。

具体的には、磁気部品は、貫通孔５と中脚部２とを結んだ線が、冷却風４の風向きに対して略平行となるように配置されている。
その他の構成は、実施例１の構成と同じであるので、同一構成要素に同一の符号を付して示し、詳細な説明を省略する。

第２の実施例の構成の説明は以上である。
第２の実施例の動作を説明する。
図４では、磁気部品は、上述したとおり、貫通孔５と中脚部２とを結んだ線が、冷却風７の風向きに対して略平行となるように配置されている。そのため、磁気部品の両側に露出している巻線４の部分は、いずれも冷却風７により冷却される。

そして、風上側では、図５のとおり、冷却風７は強い風量を保持したまま貫通孔５に入る。貫通孔５に入った冷却風７は、そのまま巻線４に当たり、隙間部６で上下２つの経路に分流して通り抜ける。

一方、風下側では気圧が低くなるので、図６のとおり、冷却風７は強い風量を保持したまま、両側から隙間部６に入る。隙間部６の両側から入った冷却風７は、そのまま貫通孔５の入口で合流し、貫通孔５を通り抜ける。

第２の実施例の動作の説明は以上である。
かくして、本発明の第２の実施例によれば、冷却風７は、巻線４の露出している部分を空冷できるだけでなく、貫通孔５および隙間部６を通り抜けることで、巻線４の全体を空冷することができる。

また、冷却風７が、貫通孔５および隙間部６を通り抜ける際に、磁気コア１を空冷することもできる。
なお、外脚部３に貫通孔５を設けることが、磁気部品の特性に大きな影響を与えることなく、磁気部品の冷却効果を高めることができる点は、第１の実施例と同様である。

続いて、図７および８により、第３の実施例を説明する。
図７は本発明の第３の実施例の磁気部品を示す平面図であり、図８はその側面図である。８ａは分割中脚部（Ａ）、８ｂは分割中脚部（Ｂ）、９ａは分割外脚部（Ａ）、９ｂは分割外脚部（Ｂ）、１０は間隙部である。

第３の実施例の構成を説明する。
図７のとおり、ここでの磁気コアは、中脚部が分割中脚部（Ａ）８ａおよび（Ｂ）８ｂ、分割外脚部（Ａ）９ａおよび（Ｂ）９ｂのそれぞれを１分割単位として分割構成されている。

分割中脚部（Ａ）８ａには、一対の分割外脚部（Ａ）９ａが挟み込むように連結されている。同様に、分割中脚部（Ｂ）８ｂには、一対の分割外脚部（Ｂ）９ｂが挟み込むように連結されている。

巻線４は、分割中脚部（Ａ）８ａと分割中脚部（Ｂ）８ｂにまたがって巻き回されている。
１分割単位の間（分割中脚部（Ａ）８ａおよび分割外脚部（Ａ）９ａと分割中脚部（Ｂ）８ｂおよび分割外脚部（Ｂ）９ｂとの間）には、間隙部１０が設けられている。

配置については、磁気部品は、間隙部１０が、冷却風７の風向きに対して略平行となるように配置されている。
側面から見た場合にも、図８のとおり、分割外脚部（Ａ）９ａと分割外脚部（Ｂ）９ｂとの間には、間隙部１０が設けられている。

第３の実施例の構成の説明は以上である。
第３の実施例の動作を説明する。
図７では、磁気部品は、上述したとおり、間隙部１０が、冷却風７の風向きに対して略平行となるように配置されている。そのため、磁気部品の両側に露出している巻線４の部分は、いずれも冷却風７により冷却される。

そして、冷却風７は強い風量を保持したまま間隙部１０を通り抜ける。
第３の実施例の動作の説明は以上である。
かくして、本発明の第３の実施例によれば、冷却風７は、巻線４の露出している部分を空冷できるだけでなく、間隙部１０を通り抜けることで、巻線４の空冷部分を多くすることができる。

また、冷却風７が、間隙部１０を通り抜ける際に、磁気コアを空冷することもできる。
さらに、特段、貫通孔を設けるなどの磁気コアの加工作業が必要ないため、作業コストの軽減につながる。

なお、分割外脚部（Ａ）９ａおよび（Ｂ）９ｂにそれぞれ上述した実施例１および２のように隙間部を設けた場合には、さらに空冷効果を高めることができる。
また、第３の実施例では、磁気コアを２つに分割したが、分割数は３以上でも同様に冷却効果を高めることができる。

次に、図９により、第４の実施例を説明する。
図９は本発明の第４の実施例の磁気部品を示す平面図である。１１ｃはＥコア中脚部（Ｃ）、１１ｄはＥコア中脚部（Ｄ）、１２ｃはＥコア外脚部（Ｃ）、１２ｄはＥコア外脚部（Ｄ）である。

第４の実施例の構成を説明する。
図９のとおり、ここでの磁気コアは、それぞれ別個独立したＥコア中脚部（Ｃ）１１ｃおよび外脚部（Ｃ）１２ｃと、Ｅコア中脚部（Ｄ）１１ｄおよび外脚部（Ｄ）１２ｄとから構成されている。

Ｅコア中脚部（Ｃ）１１ｃには、一対の外脚部（Ｃ）１２ｃが挟み込むように一体のＥコアとして成形されている。同様に、Ｅコア中脚部（Ｄ）１１ｄには、一対の外脚部（Ｄ）１２ｄが挟み込むように一体のＥコアとして成形されている。

巻線４は、Ｅコア中脚部（Ｃ）１１ｃとＥコア中脚部（Ｄ）１１ｄとにまたがって巻き回されている。
配置については、磁気部品は、間隙部１０が、冷却風７の風向きに対して略平行となるように配置されている。

第４の実施例の構成の説明は以上である。
第４の実施例の動作を説明する。
図９では、磁気部品は、上述したとおり、間隙部１０が、冷却風７の風向きに対して略平行となるように配置されている。そのため、磁気部品の両側に露出している巻線４の部分は、いずれも冷却風７により冷却される。

そして、冷却風７は強い風量を保持したまま間隙部１０を通り抜ける。
第４の実施例の動作の説明は以上である。
かくして、本発明の第４の実施例によれば、冷却風７は、巻線４の露出している部分を空冷できるだけでなく、間隙部１０を通り抜けることで、巻線４の空冷部分を多くすることができる。

また、冷却風７が、間隙部１０を通り抜ける際に、それぞれのＥコアを空冷することもできる。
さらに、別個独立したＥコアを２つ使用しているだけであり、磁気コアの加工作業が必要ないため、作業コストの軽減につながる。

なお、Ｅコア外脚部（Ｃ）１２ｃおよび（Ｄ）１２ｄにそれぞれ上述した実施例１および２のように隙間部を設けた場合には、さらに空冷効果を高めることができる。
また、第４の実施例は、Ｅコアを２つ用いた場合であるが、３つ以上のＥコアを用いた場合であっても同様に冷却効果を高めることができる。

最後に、図１０により、第５の実施例を説明する。
図１０は本発明の第５の実施例の磁気部品を示す平面図である。１３は分岐外脚部である。

第５の実施例の構成を説明する。
図１０のとおり、ここでの磁気コアは、巻線４が巻き回されている中脚部２と４つの分岐外脚部１３から構成されている。

中脚部２には、二対の分岐外脚部１３が、それぞれの対ごとに挟み込むように一体の磁気コアとして形成されている。このとき、それぞれ隣接する分岐外脚部１３同士の間には、巻線４が露出している。

配置については、露出している巻線４のうちいずれか１つが、冷却風７に直接対向するように配置されている。
第５の実施例の構成の説明は以上である。

第５の実施例の動作を説明する。
図１０では、上述したとおり、露出している巻線４のうちいずれか１つが、冷却風７に対向するように配置されている。そのため、冷却風７に直接対向する位置にある巻線４の露出した部分は、冷却風７により冷却される。

そして、風上側では、冷却風７は強い風量を保持したまま、風上側の２つの分岐外脚部１３の隙間部６に入る。隙間部６に入った冷却風７は、そのまま隙間部６を通り抜ける。
巻線４の露出している部分のうち、冷却風７の風向きと略平行位置にある上下の部分は、冷却風７によりいずれも冷却される。

一方、風下側では、冷却風７は強い風量を保持したまま、風下側の２つの分岐外脚部１３の隙間部６に入る。隙間部６に入った冷却風７は、そのまま隙間部６を通り抜ける。
風下側の２つの分岐外脚部１３の隙間部６から出てきた冷却風７は、巻線４の露出している部分の風下側を冷却する。

第５の実施例の動作の説明は以上である。
かくして、本発明の第５の実施例によれば、冷却風７は、巻線４の露出している部分を空冷できるだけでなく、隙間部６を通り抜けることで、巻線４の全体を空冷することができる。

また、冷却風７が、隙間部６を通り抜ける際に、磁気コアを空冷することもできる。
さらに、このような磁気コアの構成とすることで、巻線４に直接冷却風７が当たらない部分（温度が高くなる部分）が分散される。従って、磁気部品が局所的に高温になることを抑制することができ、空冷効果をさらに高めることができる。

なお、第５の実施例は、分岐外脚部１３を４つ用いた場合であるが、それより多い分岐外脚部１３を用いた場合であっても同様に冷却効果を高めることができる。
上記実施形態は好ましい実施例について述べたものであり、本発明の趣旨を逸脱することなく、種々の変形実施例が可能なことは勿論である。即ち、磁気コアの寸法や形状等は、状況等に応じて種々変更されるべきものである。

１磁気コア
２中脚部
３外脚部
４巻線
５貫通孔
６隙間部
７冷却風
８ａ分割中脚部（Ａ）
８ｂ分割中脚部（Ｂ）
９ａ分割外脚部（Ａ）
９ｂ分割外脚部（Ｂ）
１０間隙部
１１ｃＥコア中脚部（Ｃ）
１１ｄＥコア中脚部（Ｄ）
１２ｃＥコア外脚部（Ｃ）
１２ｄＥコア外脚部（Ｄ）
１３分岐外脚部

Claims

巻線が巻き回される柱状の中脚部と、
該中脚部を挟んで前記巻線の外側に一対をなして配置され、前記中脚部と相互に一体として連結されている外脚部とを有し、前記巻線の外周面と前記外脚部との間に前記巻線の周方向に沿うように設けられた空隙部に冷却風を流して強制空冷する磁気コアにおいて、
前記外脚部の少なくとも１つには、前記巻線の外周面と対向する面に冷却風を通すための貫通孔が設けられ、前記空隙部は前記貫通孔と通じていることを特徴とする磁気コア。
請求項１に記載の磁気コアにおいて、
前記貫通孔が、細隙形状であることを特徴とする磁気コア。
請求項２に記載の磁気コアにおいて、
前記細隙形状が、前記中脚部の中心軸線と略平行方向に延びていることを特徴とする磁気コア。